DE102005028139B4

DE102005028139B4 - Abgasnachbehandlungsvorrichtung und Tropfenabscheidevorrichtung

Info

Publication number: DE102005028139B4
Application number: DE102005028139.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Buerglin; Dirk Heilig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2017-02-16
Anticipated expiration: 2025-06-18
Also published as: DE102005028139A1

Abstract

Abgasnachbehandlungsvorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen eines Verbrennungsmotors mit Luftüberschuss mit einem Abgassystem, in dem ein Reduktionskatalysator zur Reduktion von NOx-Bestandteilen des Abgases der Brennkraftmaschine angeordnet ist, mit einer dem Abgassystem vorgelagerten Aufbereitungseinheit und mit einer Vorrichtung zum Einbringen eines Reduktionsmittels in den Reduktionskatalysator, wobei die Vorrichtung wenigstens ein gefrierdruckempfindliches Bauteil (10) umfasst, und wobei die Vorrichtung bei Außerbetriebnahme mit einem gasförmigen Medium (11) durchströmbar und entleerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tropfenabscheidevorrichtung (12) zur Abscheidung von Flüssigkeitsrückständen (13) aus dem gasförmigen Medium (11) vorgesehen ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach den Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Zur Verminderung der in einem Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltenen Stickoxide hat sich für solche Verbrennungsmotoren, die mit Luftüberschuss betrieben werden, ein Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion („SCR”) als vorteilhaft erwiesen. Bei diesem Verfahren werden Stickoxide zusammen mit Ammoniak in einem selektiven Katalysator zu Stickstoff und Wasser umgesetzt. Das zur katalytischen Umsetzung der Stickoxide notwendige Reduktionsmittel wird anstelle des Ammoniaks in Form einer wässrigen Harnstofflösung im Fahrzeug mitgeführt, aus der das Ammoniak durch Thermolyse und Hydrolyse der Harnstofflösung in der jeweils zur Umsetzung benötigten Menge freigesetzt werden kann. Die wässrige Harnstofflösung wird durch eine Dosiervorrichtung in den Reduktionskatalysator eingebracht. Die wässrige Harnstofflösung hat den Nachteil, dass sie bei Unterschreitung von etwa –11°C gefriert, was in Bauteilen der Dosiervorrichtung zu Schäden führen kann. Dies liegt darin begründet, dass durch die Volumenausdehnung beim Gefrieren erhebliche Drücke, beispielsweise in einem Ventil oder einer Düse, entstehen, die zu einer Schädigung oder sogar zum Ausfall führen.
Um derartige Schäden zu vermeiden, ist es bekannt, diese kritischen Bauteile bei einer Außerbetriebnahme des Systems zu entleeren, beispielsweise durch Ausblasen mit Luft oder durch Rücksaugen von Luft oder Abgas von einer Einspritzseite her. Bei einer Inbetriebnahme werden dann die Leitungen gegebenenfalls elektrisch beheizt und die Bauteile wieder mit dem Reduktionsmittel befüllt.
Für das Ausblasen oder Rücksaugen muss jedoch eine beträchtliche Saug- oder Pumpleistung aufgebracht werden. Außerdem können Querschnittsunstetigkeiten in den betreffenden Bauteilen auftreten, so dass der Entleervorgang oft nur unvollständig durchführbar ist. Zudem können Tropfen beispielsweise in den Zuleitungen zum Ventil verbleiben und sich im ungünstigsten Fall sogar im Ventil sammeln.
Vorteile der Erfindung
Bei der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist eine Tropfenabscheidevorrichtung zur Abscheidung von Flüssigkeitsrückständen aus dem gasförmigen Medium vorgesehen. Vorteilhafterweise werden somit bedarfsweise beim oder nach dem Entleeren des Systems verbleibende Reduktionsmittelrückstände zuverlässig entfernt, so dass Schäden durch Gefrieren von vorneherein vermieden werden. Unter System ist eine Vorrichtung zum Einbringen eines Reduktionsmittels in den Reduktionskatalysator zu verstehen, wobei die Vorrichtung wenigstens ein gefrierdruckempfindliches Bauteil umfasst. Es kann sich dabei beispielsweise um ein Ventil, um eine Düse und/oder um ein anderes durch gefrierendes Reduktionsmittel bedrohte Bauteil handeln, das mit dem Reduktionsmittel beaufschlagbar ist, insbesondere von Reduktionsmitteln durchströmte Kanäle aufweist und mit dem Reduktionsmittel unmittelbar in Kontakt steht.
Bevorzugt weist das gefrierdruckempfindliche Bauteil die Tropfenabscheidevorrichtung auf. Besonders bevorzugt ist die Tropfenabscheidevorrichtung auf einer Anströmseite des gefrierdruckempfindlichen Bauteils angeordnet. Die Tropfenabscheidevorrichtung kann dabei als Einsatz für einen Reduktionsmittelanschluss vorgesehen sein. Günstigerweise kann beim Einblasen eines Gasstroms zum Entleeren des Systems verhindert werden, dass Flüssigkeitsrückstände in die gefrierdruckempfindlichen Bauteile gelangen.
In einer Weiterentwicklung ist die Tropfenabscheidevorrichtung mit einem Filterelement kombinierbar. Günstigerweise können mit diesem Filterelement eventuell mit einströmende Partikel aus dem Gasstrom gefiltert werden. Bevorzugt ist das Filterelement diagonal zu einem Querschnitt des Einströmungskanals angeordnet, womit eine verbesserte Filterwirkung erzielt werden kann.
Eine Tropfenabscheidevorrichtung ist beispielsweise labyrinthartig ausgebildet. Die Abscheidewirkung selbst kann durch bekannte Methoden erzielt werden, beispielsweise durch Trägheitsabscheidung oder Zyklonabscheidung. Es ist aber auch denkbar, andere gleich wirkende Abscheideprinzipien in die gefrierdruckempfindlichen Bauteile zu integrieren.
Es kann zweckmäßigerweise ein Abschirmelement vorgesehen sein, wodurch ein von der Anströmseite in der Tropfenabscheidevorrichtung stromab geführter mit Flüssigkeit beaufschlagter Gasstrom umgelenkt wird. Aufgrund der Trägheitsabscheidung sammeln sich die Flüssigkeitsrückstände in einem Auffangraum. Bei einer Beaufschlagung des Gasstroms mit einer Zentrifugalkraft oder einem Drall wirkt die Tropfenabscheidevorrichtung günstigerweise wie ein Zyklonabscheider. Auch dabei können die Flüssigkeitsrückstände in einem Auffangvolumen zurückgehalten werden. Vorteilhafterweise führt das Gefrieren der aufgefangenen Flüssigkeitsrückstände in der Tropfenabscheidevorrichtung zu keinen Schädigungen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Tropfenabscheidevorrichtung als Spritzgussbauteil ausgebildet. Vorteilhafterweise handelt es sich dabei um ein einfaches und kostengünstiges Bauteil, das mit marktüblichen Ventilen oder Düsen leicht zu kombinieren ist.
Ein Abscheidevolumen und ein Abscheidewirkungsgrad der Tropfenabscheidevorrichtung können so ausgelegt sein, dass ein betriebsüblicher Druckverlust ausgleichbar ist. Unter betriebsüblichem Druckverlust ist ein vertretbares Absinken des Systemdrucks unter normalen Betriebsbedingungen zu verstehen. Derartige Schwankungen führen vorteilhafterweise zu keiner reduzierten Flüssigkeitsabscheidung. Das Abscheidevolumen und der Abscheidewirkungsgrad sind stabil, unabhängig von einer Einbaulage der Tropfenabscheidevorrichtung. Auch die Fahrzeuglage selbst hat günstigerweise keinen Einfluss auf die Effizienz der Tropfenabscheidevorrichtung. Dies ist ein weiterer Faktor, der für ein zuverlässiges Abscheiden der Flüssigkeitsrückstände beim oder nach dem Entleeren des Systems sorgt.
Zeichnungen
Weitere Ausführungsformen, Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in Ansprüchen, ohne Beschränkung der Allgemeinheit aus nachfolgend anhand von Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Im Folgenden zeigen:
1a, b schematisch eine Anordnung einer Tropfenabscheidevorrichtung in einem gefrierdruckempfindlichen Bauteil in einem Längsschnitt (1a) und im Querschnitt (1b); und
2a, b die Anordnung gemäß 1a, b mit einem Filterelement in einem Längsschnitt (2a) und im Querschnitt (2b).
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den 1a und 1b ist eine Anordnung einer Tropfenabscheidevorrichtung in einem gefrierdruckempfindlichen Bauteil 10 im Längsschnitt (1a) und im Querschnitt (1b) gezeigt. Das gefrierdruckempfindliche Bauteil 10 ist als Ventil ausgebildet und stellt einen Bestandteil einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen eines Verbrennungsmotors mit Luftüberschuss dar. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung umfasst ein Abgassystem, in dem ein Reduktionskatalysator zur Reduktion von NOx-Bestandteilen des Abgases der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Dem Abgassystem ist eine Aufbereitungseinheit vorgelagert, und das Abgassystem umfasst eine Vorrichtung zum Einbringen eines Reduktionsmittels in den Reduktionskatalysator. Das in 1a, b dargestellte Ventil 10 ist Bestandteil dieser Vorrichtung. Insbesondere dient das Ventil 10 zum dosierten Einbringen des Reduktionsmittels in den Reduktionskatalysator. Zum bedarfsweisen Entleeren der Vorrichtung, beispielsweise bei Außerbetriebnahme des Systems, ist das Ventil 10 mit einem gasförmigen Medium 11 durchströmbar und wird auf diese Weise entleert. Das Ventil 10 weist auf seiner Anströmseite 14 eine Tropfenabscheidevorrichtung 12 zur Abscheidung von Flüssigkeitsrückständen 13 aus dem gasförmigen Medium 11 auf.
Die Tropfenabscheidevorrichtung 12 ist als Spritzgussbauteil ausgebildet. Die Tropfenabscheidevorrichtung 12 ist mittels Haltestegen 20 auf der Anströmseite 14 des Ventils 10 eingesetzt. Es sind mehrere Haltestege 20 vorgesehen, die in einem gleichen Abstand zueinander und im Wesentlichen radial angeordnet sind. Eine Hauptströmungsrichtung des mit Flüssigkeitsrückständen 13 beaufschlagten Gasstroms 17 ist in 1a mit Pfeilen gekennzeichnet und deutet einen labyrinthähnlichen Verlauf an. Der Gasstrom 17 tritt im Wesentlichen quer zur Anströmseite 14 in einen Strömungskanal 19 ein und strömt radial von außen nach innen. Der Strömungskanal 19 ist als Hohlzylinder mit stromab geschlossenem Boden 21 ausgebildet. Die Außenwand und die Innenwand des Strömungskanals 19 sind in 1b mit einer äußeren und einer inneren gestrichelten Kreislinie gekennzeichnet. Der in den Strömungskanal 19 eingetretene Gasstrom 17 wird durch einen Umlenkboden 21 umgelenkt, wodurch der Gasstrom 17 in dem Strömungskanal 19 gegen die Hauptströmungsrichtung zurückgelenkt wird. Ein Abschirmelement 16 verhindert, dass der Gasstrom 17 gegen die Hauptströmungsrichtung wieder an der Anströmseite 14 austritt. Das Abschirmelement 16 ist in die Stegvorrichtung 20 integriert. Durch das Abschirmelement 16 wird der Gasstrom 17 umgelenkt und tritt an einer Abströmseite 22 entlang der Hauptströmungsrichtung durch einen im Zentrum der Tropfenabscheidevorrichtung 12 ausgebildeten rohrförmigen Kanal 23 aus. Der Strömungskanal 19 und der Kanal 23 sind konzentrisch angeordnet. Die Flüssigkeitsrückstande 13 können die Umlenkung des Gasstroms 17 aufgrund ihrer Trägheit nicht nachvollziehen und werden in einem Auffangraum 18 gesammelt. Bei einer Beaufschlagung des Gasstroms mit einer Zentrifugalkraft oder einem Drall wirkt die Tropfenabscheidevorrichtung wie ein Zyklonabscheider. Der Drall kann beispielsweise durch geeignete Ausrichtung und Formgebung der Haltestege 20 erzeugt werden.
Ein Abscheidevolumen und ein Abscheidewirkungsgrad der Tropfenabscheidevorrichtung 12 sind so ausgelegt, dass ein betriebsüblicher Druckverlust ausgeglichen werden kann. Zudem ist Abscheidevolumen und der Abscheidewirkungsgrad unabhängig von einer Einbaulage der Tropfenabscheidevorrichtung 12 und einer Fahrzeuglage insgesamt.
In 2 zeigt die Anordnung einer Tropfenabscheidevorrichtung 12, die baugleich zu der in 1a beschriebenen Anordnung ist. Auch hier ist der Gasstrom 17 aufgrund der Tropfenabscheidevorrichtung 12 labyrinthartig in den Strömungskanal 19 einbringbar. Im Unterschied zu der Anordnung gemäß 1a ist in die Tropfenabscheidevorrichtung 12 ein Filterelement 15 integriert. Das Filterelement 15 ist im Wesentlichen diagonal zu einem Querschnitt des Strömungskanals 19 angeordnet und führt von einem Umfang des Ventils 10 an Außenseite des Strömungskanals 19 schräg nach innen zum Umlenkboden 21. Es wird damit eine optimale Filterwirkung des einströmenden Gasstroms 17 erzielt.

Claims

Abgasnachbehandlungsvorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen eines Verbrennungsmotors mit Luftüberschuss mit einem Abgassystem, in dem ein Reduktionskatalysator zur Reduktion von NOx-Bestandteilen des Abgases der Brennkraftmaschine angeordnet ist, mit einer dem Abgassystem vorgelagerten Aufbereitungseinheit und mit einer Vorrichtung zum Einbringen eines Reduktionsmittels in den Reduktionskatalysator, wobei die Vorrichtung wenigstens ein gefrierdruckempfindliches Bauteil (10) umfasst, und wobei die Vorrichtung bei Außerbetriebnahme mit einem gasförmigen Medium (11) durchströmbar und entleerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tropfenabscheidevorrichtung (12) zur Abscheidung von Flüssigkeitsrückständen (13) aus dem gasförmigen Medium (11) vorgesehen ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gefrierdruckempfindliche Bauteil (10) die Tropfenabscheidevorrichtung (12) aufweist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfenabscheidevorrichtung (12) auf einer Anströmseite (14) des gefrierdruckempfindlichen Bauteils (10) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfenabscheidevorrichtung (12) mit einem Filterelement (15) kombinierbar ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschirmelement (16) vorgesehen ist, wodurch ein von der Anströmseite (14) in der Tropfenabscheidevorrichtung (12) stromab geführter mit den Flüssigkeitsrückständen (13) beaufschlagter Gasstrom (17) umlenkbar ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom (17) in der Art eines Zyklonabscheiders mit einem Drall beaufschlagbar ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfenabscheidevorrichtung (12) als Spritzgussbauteil ausgebildet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abscheidevolumen und/oder ein Abscheidewirkungsgrad der Tropfenabscheidevorrichtung (12) so ausgelegt ist, dass ein betriebsüblicher Druckverlust ausgleichbar ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheidevolumen und der Abscheidewirkungsgrad unabhängig von einer Einbaulage der Tropfenabscheidevorrichtung (12) ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsrückstände (13) in einem Auffangraum (18) abscheidbar sind.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (15) im Wesentlichen diagonal zu einem Querschnitt eines Strömungskanals (19) angeordnet ist.